Filature de la soie en capteurs

Les cocons de vers à soie expédiés par boîte depuis le Japon vers un laboratoire d'optique de l'Université Tufts connaîtront un sort différent de ceux destinés aux usines textiles du monde entier. Plutôt que d'être tissées dans des rideaux ou des vêtements, les solides fibres protéiques que les chenilles tournaient autrefois sur elles-mêmes seront utilisées pour construire des matériaux optiques pouvant servir de base à des capteurs et à d'autres dispositifs. Le bio-ingénieur Fiorenzo Omenetto, qui crée les appareils, espère finalement créer des capteurs implantables et biodégradables qui pourraient aider à surveiller les progrès des patients après une intervention chirurgicale ou à suivre des maladies chroniques telles que le diabète.

Fiorenzo Omenetto sur les marches du bâtiment de bio-ingénierie Tufts, où il fabrique des dispositifs optiques en soie.

Omenetto s'est rendu compte que la soie était bien plus que des chemises et des cravates, dit-il, lorsqu'il a discuté avec David Kaplan, le chef du département d'ingénierie biomédicale de Tufts, avec qui il partage un couloir. Kaplan transforme les protéines de soie en échafaudages respectueux des cellules pour l'ingénierie des tissus biologiques, y compris les implants cornéens. La fibre naturelle la plus résistante connue, la soie est privilégiée par les ingénieurs tissulaires car elle est mécaniquement résistante mais se dégrade sans danger à l'intérieur du corps.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2009

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Physicien de formation, Omenetto s'est dit que si la soie faisait de bonnes cornées artificielles, elle pourrait aussi faire de bons appareils optiques. En fin de compte, dit-il, les appareils en soie qu'il fabrique fonctionnent aussi bien que ceux fabriqués à partir de matériaux optiques traditionnels comme le verre et le plastique - dans certains cas, même mieux. Et contrairement à ces matériaux, la soie n'a pas besoin d'être traitée à des températures élevées ou avec des produits chimiques agressifs.

C'est l'une des raisons pour lesquelles la soie est si bien adaptée à une utilisation dans les biocapteurs : comme les dispositifs en soie peuvent être fabriqués dans un environnement doux, il est possible d'y incorporer des molécules biologiques supplémentaires (telles que des protéines) au fur et à mesure de leur construction. Ces molécules servent de capteurs qui, une fois intégrés dans les dispositifs en soie, peuvent rester actifs pendant des années. Dans les dispositifs qu'Omenetto et Kaplan développent, les protéines intégrées dans le matériau optique se lient efficacement à une cible telle que l'oxygène ou une protéine bactérienne ; quand ils le font, la lumière transmise par le capteur change de couleur.

Recette optique
La recette d'Omenetto commence par des cocons tissés par le ver à soie Bombyx mori. D'abord, dit-il, vous coupez le cocon et enlevez le ver, au grand dam des végétaliens. La technicienne de recherche principale Carmen Preda fait ensuite bouillir les cocons dans une solution contenant du sel carbonate de sodium. Cela aide à dissoudre la séricine, une glycoprotéine gluante qui maintient les cocons ensemble mais provoque des réactions immunitaires chez l'homme. Une fois les fibres de soie sèches, elles sont dissoutes dans une solution de bromure de lithium. Lorsqu'il refroidit, Preda utilise une seringue pour le charger dans une cartouche de dialyse. Elle le place dans un bécher d'eau, qui en retire le sel.

Ce qui reste dans la cartouche est une solution claire et visqueuse de la fibroïne de soie de protéine purifiée. Preda retire ce sirop de soie de la cartouche avec une seringue et le charge dans une rangée de tubes à essai ; c'est le matériau de départ des composants optiques d'Omenetto. S'il souhaite utiliser les composants d'un biocapteur, il peut ajouter une protéine ciblant une molécule particulière, par exemple l'hémoglobine fixant l'oxygène, à ce stade. Vous avez cette belle solution à base d'eau dans laquelle vous pouvez mélanger n'importe quoi, dit Omenetto.

L'hémoglobine est une protéine relativement stable, mais les matériaux en soie peuvent également préserver l'activité de protéines moins résistantes, telles que les enzymes. À titre de test, les chercheurs de Tufts ont fabriqué des structures en soie contenant une enzyme volatile du raifort appelée peroxydase ; les capteurs de glucose pourraient incorporer de l'hexokinase, une enzyme qui se lie au sucre.

Les moules utilisés pour façonner la solution de protéine de soie en dispositifs optiques sont modelés avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique. Des détails aussi fins sont importants en optique, car la lumière interagit mieux avec des caractéristiques à une échelle ne dépassant pas sa propre longueur d'onde - environ 400 à 700 nanomètres dans le cas de la lumière visible. Dans la lumière ambiante du laboratoire, les régions à nanomotifs des moules en plastique brillent doucement, comme l'intérieur d'une coquille d'ormeau.

Un appareil que les chercheurs ont fabriqué est un hologramme, démontrant que la soie a la même polyvalence que les autres matériaux optiques. À la paillasse du laboratoire, le postdoctorant Jason Amsden utilise une pipette pour déposer une solution de soie sur un moule gravé du logo Tufts. Il laisse le moule sur le comptoir à température ambiante pendant environ huit heures, assez longtemps pour que les protéines se fixent en un ovale flexible et irrégulier affichant le logo dans un motif tridimensionnel de roses et de bleus irisés.

Dans d'autres moules autour du laboratoire, différents types de dispositifs optiques ont déjà fini de sécher. Amsden en sélectionne un et le décolle délicatement du moule à l'aide d'une pince à épiler. L'appareil est une carte rouge translucide imprégnée d'hémoglobine et ornée de plusieurs éléments optiques, dont un réseau de diffraction qui divise la lumière blanche en ses couleurs composantes.

Capteurs de soie
La carte agit comme un simple capteur d'oxygène : la lumière qui la traverse change légèrement de longueur d'onde, en fonction de la quantité d'oxygène qui s'est liée à l'hémoglobine incrustée. Ces changements ne sont pas visibles à l'œil nu, mais peuvent être détectés par une photodiode, une puce qui transforme la lumière en courant électrique. Lorsqu'une goutte de sang riche en oxygène est placée sur le capteur, par exemple, l'hémoglobine en tire de l'oxygène et la longueur d'onde de la lumière enregistrée par la photodiode se déplace.

L'oxygène n'est qu'une cible possible pour les appareils d'Omenetto. Des réseaux contenant des anticorps et des enzymes intégrés pourraient détecter à peu près n'importe quelle molécule médicalement intéressante, que ce soit le glucose ou un marqueur tumoral. Et les chercheurs de Tufts envisagent non seulement des capteurs de laboratoire, mais aussi des capteurs implantables. Une application développée par Omenetto sera particulièrement importante : des fibres optiques en soie pour transporter la lumière de la surface de la peau aux capteurs implantés et à l'arrière, afin qu'elle puisse être lue par un photodétecteur. Les capteurs pourraient être implantés pendant des interventions chirurgicales telles que des résections tumorales, puis utilisés pour surveiller les patients à la recherche de signes d'infection ou de cancer récurrent. Omenetto et Kaplan espèrent également intégrer les capteurs dans les futures structures d'ingénierie tissulaire qui aideraient les médecins à suivre dans quelle mesure un nouveau tissu est incorporé dans le corps. Les dispositifs se dissoudraient sans danger avec le reste des structures de soutien des tissus.

Les futurs capteurs, selon Omenetto, auront des conceptions qui conduiront à des changements de couleur plus spectaculaires lorsque les capteurs se lient à leurs cibles. Pour créer des capteurs lisibles à l'œil nu, il s'est inspiré d'un autre insecte, le papillon morpho. Sa couleur bleue chatoyante n'est pas due aux pigments mais à la façon dont la lumière interagit avec les piliers de protéines nanométriques sur ses ailes. Changer la structure des piliers élimine la couleur. Omenetto imagine un capteur à base de soie doté de structures nanométriques qui le font apparaître bleu ; une molécule cible se liant aux protéines du capteur modifierait subtilement les nanostructures, faisant changer ou disparaître la couleur. Omenetto dit que les technologies de base pour ce faire sont en place ; il s'agit simplement de concevoir les bons moules.

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